<<
>>

Глава VII. Раздел 4. Применение фуллеренов и углеродных нанотрубок.

  В настоящее время прогнозы на грядущее применение фуллеренов и нанотрубок существенно опережают уже имеющиеся результаты. Дискутируются вопросы использования фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин.
Фулле- рены предполагается применять для синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами. Их планируют использовать в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. Эти батареи, принцип действия которых основан на реакции присоединения водорода, во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым аккумуляторам, однако, обладают, в отличие от последних, способностью запасать примерно в пять раз больше удельное количество водорода. Кроме того, такие батареи характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в отношении этих качеств аккумуляторами на основе лития. Такие аккумуляторы могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.

Растворы фуллеренов в неполярных растворителях (сероуглерод, толуол, бензол, тетрахлорметан, декан, гексан, пентан) характеризуются нелинейными оптическими свойствами, что проявляется, в частности, в резком снижении прозрачности раствора при определенных условиях. Это открывает возможность использования фуллеренов в качестве основы оптических затворов и фильтров - ограничителей интенсивности лазерного излучения. В настоящее время системы с фуллеренами эффективно используются для записи голограмм, удвоения и утроения частоты лазерного излучения. Пленку фуллерена толщиной 60 нм, напыленную на кварцевую подложку, облучали линейно-поляризованным излучением лазера на длине волны = 1064 нм и наблюдали эффект удвоения и утроения частоты.

Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации. Фуллерены могут найти применение в качестве присадок для ракетных топлив, смазочного материала.

Большое внимание уделяется проблеме использования фуллеренов в медицине и фармакологии. Обсуждается идея создания противораковых медицинских препаратов на основе водо-растворимых эндоэдральных соединений фуллеренов с радиоактивными изотопами. (Эндоэдральные соединения - это молекулы фуллеренов, внутри которых помещен один или более атомов какого- либо элемента). Найдены условия синтеза противовирусных и противораковых препаратов на основе фуллеренов. Одна из трудностей при решении этих проблем - создания водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов, которые могли бы вводиться в ор

ганизм человека и доставляться кровью в орган, подлежащий терапевтическому воздействию.

Применение фуллеренов сдерживается их высокой стоимостью, которая складывается из трудоемкости получения фуллереновой смеси и из выделения из нее отдельных компонентов.

Молекулы фуллеренов обладают высокой электроотрицательностью и способны присоединять к себе до шести свободных электронов. Это делает их сильными окислителями, способными образовывать множество новых химических соединений с новыми свойствами. Энергия сродства к электрону С60 2,65 ± 0,05 эВ. Первые эксперименты по синтезу органических соединений с участием фуллеренов продемонстрировали разнообразие возможных типов таких соединений - продукты присоединения радикалов водорода, фосфора, галогенов, металлов и их окислов, одинарных и двойных бензольных колец и их производных, NOs, алкильных радикалов.

Фуллерены используют как катализаторы при выращивании алмазов. Для реализации перехода графит - алмаз, нужны огромные температуры и давление, тысячи градусов и десятки тысяч атмосфер. В природе это происходит в раскаленных глубинах Земли. А на ее поверхности необходимые для получения алмазов условия создают в специальных камерах высокого давления.

Процесс этот исключительно энергоемкий, потенциально опасный и, наконец, медленный. Но оказалось, что если добавить к графиту немного фуллерена, то температуру и давление процесса можно понизить, а алмазов получить больше, причем будут они и крупнее, и прочнее.

Дело в том, что сам по себе графит в алмаз не переходит, даже если температура и давление в камере достаточно высоки. Нужны еще специальные, так называемые карбидообразующие металлы - например, никель, кобальт или марганец. Именно они начинают процесс, в ходе которого графит превращается в алмаз. Металл плавится, графит растворяется в расплавленном металле - сначала немного, затем - все больше и больше. Наконец образуется пересыщенный раствор углерода в металле. А затем избыток углерода из этого самого раствора-расплава начинает выкристаллизовываться - расти, но уже не в форме исходного графита, а в виде алмаза. Если в исходный порошок графита добавить доли процента фуллерена, то процесс перехода одной модификации углерода в другую начнется при более низких температуре и давлении. Фуллерен образует центры кристаллизации, на которых и происходит рост кристаллов алмазов. Однако источником углерода при этом по-прежнему останется графит.

Почти идеальная сферическая структура молекулы С60 в сочетании с ее размером позволяет рассчитывать на их мембранотропное противовирусное действие, создающих чисто механические препятствия для проникновения вирусов внутрь клеток зараженного организма. Следует отметить, что в отличие от ремантадина (антигрипозный препарат), действие которого наиболее эффективно проявляется в ранний период заражения, производное С-60/поливинилпирролидон обладает устойчивым действием на репродукцию вируса гриппа в течение всего цикла вируса. Другая отличительная особенность синтезированного препарата связана с его эффективным воздействием на различные модификации вируса гриппа.

Молекула фуллерена обладает высокой химической активностью благодаря большому числу свободных связей, способных присоединять различные радикалы, в том числе биологически активные.

Однако исходные фуллерены растворимы лишь в небольшом числе органических растворителей, что затрудняет их введение в живой организм. Для получения водорастворимых форм к фуллеренам добавляют функциональные группы. Водорастворимые производные фуллеренов (например, карбоксифуллерены) демонстрируют высокую (в ряде случаев - уникальную) антиоксидантную активность. Также фуллерены способны защищать нейроны от апоптоза (запрограммированной клеточной гибели), что позволяет прогнозировать возможность их использования для лечения различных нейродегенеративных заболеваний, таких как склероз, паркинсонизм и ельцинизм с гайдарастией.

Углеродные нанотрубки хорошо себя зарекомендовали в экспериментах по использованию их в качестве покрытия, способствующего образованию алмазной пленки. Как показывают исследования, выполненные с помощью электронного микроскопа, алмазная пленка, нанесенная на пленку нанотрубок, отличается в лучшую сторону в отношении плотности и однородности зародышей от пленки, напыленной на С60 и С70.

Возможно использование нанотрубок с высокой удельной поверхность в качестве электродов для электролитических конденсаторов с большой удельной мощностью.

Такие свойства нанотрубки, как ее малые размеры, меняющаяся в значительных пределах в зависимости от условий синтеза, электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность, позволяют рассматривать нанотрубку в качестве основы будущих элементов микроэлектроники. Расчетным путем доказано, что введение в идеальную структуру нанотрубки в качестве дефекта пары пятиугольник-семиугольник изменяет ее электронные свойства. Нанотрубка с внедренным в нее дефектом может рассматриваться как гетеропереход металлполупроводник, который, в принципе, может составить основу полупроводникового элемента рекордно малых размеров. Нанотрубки могут служить основой тончайшего измерительного инструмента, используемого для контроля неоднородностей поверхности электронных схем.

Интересные применения могут получить нанострубки при заполнении их различными материалами.

При этом нанотрубка может использоваться как в качестве носителя заполняющего ее материала, так и в качестве изолирующей оболочки, предохраняющей данный материал от электрического контакта, либо от химического взаимодействия с окружающими объектами. В основе многих технологических применений нанотрубок лежит такое их свойство, как высокая удельная поверхность (в случае однослойной нанотрубки около 600 кв. м. на 1/г), что открывает возможность их использования в качестве пористого материала в фильтрах, наноконтейнеров и т.д.

Возможность заполнения нанотрубок различными веществами не только представляет научный интерес, но также имеет значение для прикладных задач, поскольку нанотрубку, заполненную проводящим, полупроводящим или сверхпроводящим материалом, можно рассматривать как наиболее миниатюрный из всех известных к настоящему времени элементов микроэлектроники. Научный интерес к данной проблеме связан с возможностью получения экспериментально обоснованного ответа на вопрос: при каких минимальных размерах капиллярные явления сохраняют свои особенности, присущие макроскопическим объектам? Показано, что капиллярные явления, приводящие к втягиванию жидкостей, смачивающих внутреннюю поверхность трубки, внутрь капилляра, сохраняют свою природу при переходе к трубкам нанометрового диаметра.

Для реализации капиллярного эффекта и заполнения нанотрубок легирующим материалом необходимо удалить головку трубки. Добиться этого можно в результате отжига, мощным электронным пучком. При достаточно сильном облучении материал вблизи открытого конца трубки плавится и проникает внутрь. Наличие свинца внутри трубок установлено методами рентгеновской дифракции и электронной спектроскопии. Диаметр самого тонкого свинцового провода составлял 1,5 нм, а число заполненных нанотрубок не превышало 1%.

Материал нанотрубок с успехом может использоваться в качестве несущей подложки для осуществления гетерогенного катализа, причем каталитическая активность открытых нанотрубок заметно превышает соответствующий параметр для замкнутых нанотрубок.

Одним из многообещающих применений является использование нанотрубок в качестве наполнителя для нанокомпозитных нитей, из которых можно сплести вполне осязаемый трос необычайной прочности. Это связано с тем, что модуль Юнга для нанотрубок составляет величину около 7000Гпа, а для стали и иридия 200 и 500 ГПа соответственно.

В металлическом состоянии электропроводимость нанотрубок очень высока. По оценкам они могут пропускать миллиард ампер на квадратный сантиметр. Медный провод выходит из строя при миллионе ампер на квадратный сантиметр вследствие расплавления. Одной из причин такой аномально высокой проводимости является очень малое количество дефектов, вызывающих рассеяние электронов. Поэтому большой ток трубку не нагревает так, как он разогревает медную трубку. А имеющий место разогрев вследствие высокой теплопроводности якобы не страшен. Должен отметить, что тот, кто видел электронно-микроскопические фотографии нанотрубок к гипотезе о малой дефектности отнесется несколько скеп

тически. Но тем не менее высокая электрическая проводимость означает, что нанотрубки будут плохо пропускать электромагнитные волны и композитный пластик на их основе может сказать новое слово в технологии "Стеллс".

Практичесое применение найдет также электромеханический эффект в индивидуальных нанотрубках, представляющий собой значительное изменение электрической проводимости нанотрубки даже при небольшом изгибе. К нанотрубке прикрепляли тонкую золотую проволоку, на расстоянии от 5 до 20 мкм от конца нанотрубки размещали электрод, ориентированный под некоторым углом к ней. При подаче на нанотрубку внешнего потенциала она испытывала притяжение к электроду и изгибалась на некоторый угол, т.е. нанотрубка оказалась способна преобразовывать механическую энергию в электрическую и обратно. Простейшим из возможных применений этого эффекта может стать микрофон с активным преобразователем на основе нанотрубок - это будет самый крошечный "жучок" с отличными частотными характеристиками.

При приложении небольшого электрического поля вдоль оси нанотрубки с ее концов происходит интенсивная полевая эмиссия электронов. Этот эффект легко наблюдать, прикладывая небольшое напряжение между двумя параллельными металлическими электродами, на один из которых нанесена композитная паста из нанотрубок. Несмотря на то, что нанотрубки в этой пасте расположены хаотично, достаточное количество трубок окажутся перпендикулярными электроду, что позволяет наблюдать полевую эмиссию. Этот эффект можно использовать для усовершенствования плоских дисплеев. Тонкая пленка нанотрубок помещается на слой с управляющей электроникой и покрывается сверху стеклянной пластиной, покрытой слоем люминофора. Можно использовать эффект электронной эмиссии и в обычных осветительных вакуумных лампах, таких же ярких, как обычные, но

существенно более долговечных и дорогих.

Вполне возможно, что применение нанотрубок поможет сказать новое слово и в элементной базе микроэлектроники, создав новый тип полевого транзистора, более технологичного в производстве, схема которого показана на рис. 1. На кремниевую подложку, являющуюся затвором, нанесен диэлектрик, в данном случае двуокись кремния, на котором в тонкой золотой пленке сформирована представленная конфигурация. Сверху на золото нанесена композиция из нанотрубок - 3. При приложении небольшого напряжения к затвору, которым является подложка, по нанотрубке между истоком 1 и стоком 2 течет ток. Обнаружено, что небольшое напря

жение на затворе может изменить проводимость нанотрубки более чем в 106 раз, что сравнимо со значениями изменения тока для кремниевых полевых транзисторов. Время переключения такого устройства будет очень маленьким, а возможная тактовая частота оценочно может составить Терагерц, что в 1000 раз быстрее существующих процессоров. Золотые исток и сток можно сформировать методами нанолитографии (а уж методами электронной литографии и подавно). Малые размеры позволят в перспективе поместить на чип существенно большее количество переключателей, чем в случае МОП транзистора..

Такой транзистор обнаружил еще одно очень полезное свойство. Изготовленный на полупроводящей хиральной нанотрубке он является чувствительным детектором различных газов. Протекание газа, содержащего от 2 до 200 ppm КО2, через трубку с таким транзистором со скоростью 700 мл/мин на протяжении 10 минут привело к трехкратному повышению проводимости нанотрубки за счет того, что при связывании КО2 с нанотрубкой заряд переносится с нанотрубки на группу ND2, увеличивая концентрацию дырок в нанотрубке и ее проводимость. Это полезное явление может лечь в основу новых химических газовых сенсоров на основе углеродных нанотрубок.

И в заключение самое приятное о фуллеренах. По последним данным фуллере- ны накапливаются в клетках печени и нейронах мозга, изменяя функционирование этих клеток, не так сильно, как паленая водка и диоксин в организме братана Ющенко, но вполне достаточно. Степень их токсичности оценивается как средняя между никелем и бензопиреном (вкусные и полезные вещества, содержащиеся в табачном дыме, выхлопных газах и атмосфере Санкт-Петербурга). Коллоиды фул- лерена, воздействуя на клетки кожи и печени человека, вызывают их гибель при концентрации 20 молекул фуллерена на миллиард молекул воды.

<< | >>
Источник: В. И. Марголин. Основы нанотехнологии. Учебное пособие. 2004

Еще по теме Глава VII. Раздел 4. Применение фуллеренов и углеродных нанотрубок.:

  1. Глава VII. Раздел 4. Применение фуллеренов и углеродных нанотрубок.